Е.С. Бойко, директор по картографии и ГИС ООО «СКИП», г.Краснодар

(по материалам публикации в журнале «Геоинжиниринг» №1 (3), , 2007г)

В статье сформулировано понятие растровая геоповерхность -  пространст­венно определенное изображение местности, построенное по данным воздушной ла­зерной локации. Приведены примеры геоповерхностей  Рассматриваются виды геоповерхностей и преимущества их исполь­зования для дешифрирования объектов местности. Изложены подходы к использова­нию геоповерхностей при создании топографических планов и карт.

В настоящее время, как в мире, так и в России активно используется технология производства топографической съемки методом воздушного лазерного сканирования. Это происходит благодаря развитию инструментальных и программных средств, позволяющих минимизировать полевые геодезические работы. Быстрота производства съемки и высокая точность получаемых данных обуславливают экономическую эффективность данного метода.

Суть метода сводится к получению пространственно определенной модели местности, состоящей из точек лазерного отражения, описывающих как поверхность земли, так и все расположенные на ней объекты.

Точки лазерного отражения (ТЛО) содержат информацию о плановом положении, абсолютной высоте, интенсивности отражения от объектов местности, времени съемки и некоторые другие характеристики. С помощью программных средств обработки данных лазерной локации мы создаем пространственно-определенные изображения поверхности, используя цветовую классификацию точек по какому-либо из этих признаков. Такие изображения, назовем их геоповерхностями, конвертируются в растровый формат и используются в качестве основы при создании топографических карт и планов наравне с ортофотопланами. Точность геоповерхностей практически равна точности самих ТЛО. Погрешности могут появиться при использовании пиксельной интерполяции, порог которой задается при создании этих изображений, а поэтому ошибка интерполяции заранее известна и учтена.

При обработке ТЛО одной из основных задач является их классификация по объектной принадлежности. В первую очередь выделяются класс земли, классы антропогенных объектов, классы растительности. При построении геоповерхностей используются уже полученные классы ТЛО.

Важным моментом при создании геоповерхностей является подбор цветовой шкалы. Для каждого типа изображений шкала подбирается в зависимости от типа продуцируемой геоповерхности.

Рассмотрим три типа геоповерхностей. Это цветовая классификация по интенсивности отражения, цветовая классификация по абсолютной высоте и относительной высоте объектов на поверхности земли (рис.1).

Рис.1. Растровые геоповерхности рельефа (слева), интенсивности (в центре), растительности и других объектов (справа).

Любой объект на земной поверхности обладает собственной отражательной способностью, в зависимости от которой мы и получаем различные интенсивности отраженного сигнала. Цветовая классификация позволяет визуально различить объекты с различной отражательной способностью, а соответственно их распознать и векторизовать. Выделяя те или иные классы ТЛО можно получить изображения интенсивности различных поверхностей: земли, растительности, дорожной сети, а также общего облака точек. При цветовой классификации мы используем шкалу оттенков серого цвета и получаем изображение, напоминающее черно-белый аэрофотоснимок. Использование более широкой палитры, как показывает практика, снижает дешифровочные свойства геоповерхности этого типа. При построении растрового изображения выбирается алгоритм прохождения поверхности по минимальным, максимальным или осредненным значениям интенсивности. Полученные при этом по одним и тем же точкам и с одинаковой шкалой растровые изображения различаются по тону, что подчеркивает границы тех или иных объектов. Например, при выборе алгоритма прохождения поверхности по максимальным значениям интенсивности более контрастно выделяется граница объектов гидрографии.

При использовании классических технологий построения карт и планов основным исходным материалом, помимо геодезических измерений, являются аэрофото или космические снимки и производные из них ортофото изображения. По этим данным производится создание контурной части карт и планов и построение цифровой модели рельефа (ЦМР). Метод лазерного сканирования предполагает получение ЦМР при классификации облака точек лазерного отражения, однако вопрос дешифрирования остальных объектов остается актуальным. Поэтому в комплексе с лазерным сканером (лидаром), как правило, работает цифровая камера, позволяющая получить аэрофотоснимки необходимого качества. Одновременное применение двух этих устройств приводит к необходимости постоянного поиска компромиссов между качеством материалов лазерного сканирования, аэрофотосъемки и скоростью выполнения работ. А качество и оперативность выполнения работ зависит от некоторых настроек лидара и параметров воздушной съемки, которые проектируется на этапе подготовительных работ. Поэтому определение оптимальных параметров съемки для лидара и аэрофотокамеры является чрезвычайно важной задачей.

Кроме того, использование метода лазерного сканирования предполагает возможность работы в ночное время, то есть без аэрофотосъемки. При большой срочности выполняемых работ для необжитых и малозаселенных территорий автор допускает отсутствие покрытия области съемки фотоматериалами. При этом следует заметить, что в этом случае, как и при традиционной технологии, необходимы эталоны дешифрирования, но уже для геоповерхностей.

Использование в работе геоповерхностей интенсивности отражения позволяет ускорить и уточнить процесс распознавания объектов местности, так как отдельные природные объекты лучше читаются именно по растрам геоповерхностей. Для местностей с густым растительным покровом (например, леса Амазонии) выделение малых объектов гидрографии представляют значительную сложность, из-за перекрывания кронами деревьев береговой линии водоемов. При использовании в качестве растровой основы геоповерхностей эта проблема снимается (рис.2). Аналогичная ситуация встречается и при дешифровке объектов дорожной сети.

Рис. 2. Отображение объектов гидрографии на фотоизображении (сверху) и на растровой геоповерхности интенсивности отражения (внизу).

Построение геоповерхностей по абсолютной высоте (рис.3) целесообразно выполнять в качестве вспомогательного материала при формировании горизонталей по ЦМР. При формировании растровой геоповерхности с разделением по абсолютной высоте мы работаем со всеми классифицированными точками земли и получаем растровое изображение модели рельефа с заданным шагом смены цветовых зон согласно выбранной цветовой шкале. Например, при создании планов масштаба 1:2000 и 1:5000 с сечением рельефа 0,5 метра подбираются шкалы с шагом 0,5 метра и 0,25 метра (для полугоризонталей при равнинном рельефе). Цвета и оттенки подбираются таким образом, чтобы четко читалась граница между соседними высотными интервалами. Для удобства работы с подобным изображением желательно чтобы палитра не содержала слишком ярких цветов и резких контрастных переходов. Подобное цветовое решение приводит к быстрой утомляемости оператора и снижению скорости и качества работы. Следует учитывать, что при формировании растрового изображения происходит процесс пиксельной интерполяции, - то есть заполнение пустых значений пикселов значениями их окружения. Порог такой интерполяции задается и зависит от разрешения продуцируемого растра и от плотности съемки, то есть от количества точек лазерного отражения класса земли на м². Пользоваться таким изображением довольно удобно как для визуальной оценки характера рельефа, так и в непосредственной работе при редактировании цифровых моделей рельефа, особенно при возникновении спорных вопросов о местоположении той или иной горизонтали после процедур сглаживания и укладки рельефа.

Рис. 3. Растровая геоповерхность, построенная по абсолютным высотам поверхности земли в качестве подложки к фрагменту топографического плана.

Геоповерхности, построенные по относительным высотам объектов – еще один вид растровых изображений. Для их создания используются два класса: точек земной поверхности и остальных объектов. Геоповерхности относительной высоты объектов, по сути, могут конкурировать со стерео – моделями, получаемыми на основе аэрофотоснимков, так как позволяют судить об относительной высоте объектов на поверхности земли. Эти изображения можно генерировать таким образом, чтобы подчеркнуть особенности наземных объектов для облегчения и ускорения труда дешифровщика. В приведенном примере (рис.4) использована шкала для выделения характерных видов растительного покрова (травянистая до до 1м,  кустарниковая до 4м, подлесок  и поросль леса до10м и различные лесные ярусы свыше 12 м). Градации шкалы легко можно изменить в зависимости от природных особенностей района работ.

Рис.4. Растровая геоповерхность, построенная по относительным высотам объектов на территорию без антропогенного влияния человека

Например, при картографировании районов тундры и лесотундры, меняя градацию шкалы, мы выделяем объекты низкорослой растительности, которые невозможно качественно определить при стереотопографическом методе.

Цвета при построении данного типа геоповерхности, на наш взгляд, следует подбирать следующим образом. Во-первых, чтобы четко читались объекты смежных градаций по относительной высоте. Во-вторых, цвет нес определенную смысловую нагрузку, например светло-зеленый цвет может соответствовать объектам с относительной высотой от 1 до 4 метров, что в лесной зоне, как правило, будет соответствовать поросли леса. В-третьих, изображение не было излишне ярким, что может привести к перенапряжению зрительного аппарата дешифровщика и снизить время качественной работы. По геоповерхностям данного типа хорошо дешифрируется не только растительный покров, но и линии наземных коммуникаций, башни, вышки и другие высотные объекты антропогенного происхождения (рис.5)

Рис.5  Растровая геоповерхность, построенная по относительным высотам объектов на застроенную территорию

К тонкостям построения и обработки геоповерхностей всех трех типов относятся: определение пороговых значений, подбор оптимального разрешения и механизмов интерполяции при формировании растрового изображения, выбор цветовых шкал.

В итоге мы получаем принципиально новые исходные материалы для построения топографических карт и планов, чье использование в производственном процессе самым положительным образом сказывается на скорости создания карт, их достоверности и точности. Главными факторами такого влияния являются с одной стороны, увеличение информационного объема исходных данных, по сравнению с классическими методами составления карт, с другой – специализация таких материалов.